DE102008050655A1 - Exhaust system for motor vehicles with integrated heat engine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage, in die eine schnell laufende Wärmekraftmaschine mit äußerer Beheizung integriert ist, wobei sich die bewegten Teile der Wärmekraftmaschine ausschließlich auf der Seite des niedrigeren Temperaturniveaus befinden. Die verwendete Wärmekraftmaschine arbeitet nach dem Pulsröhrenprinzip und besteht aus mindestens einem Expander (2), der einen Zylinder und einen Kolben oder eine Membran umfasst, sowie mindestens einem fluidisch an den Expander (2) angekoppelten thermischen Kopf, der aus der fluidischen Serienschaltung eines Kühlers (3 bzw. 4), einer Pulsröhre (7 bzw. 8), eines Heizers (9 bzw. 10) und eines Regenerators (11 bzw. 12) besteht. Der Regenerator (11 bzw. 12) des mindestens einen thermischen Kopfes ist fest mit der Pulsröhre (7 bzw. 8) verbunden. Mit einem Modul aus der Wärmekraftmaschine und einem von dieser angetriebenen Lineargenerator können herkömmliche Lichtmaschinen ersetzt werden.The invention relates to an exhaust system, in which a fast-running heat engine is integrated with external heating, wherein the moving parts of the heat engine are located exclusively on the side of the lower temperature level. The heat engine used operates on the pulse tube principle and consists of at least one expander (2), which comprises a cylinder and a piston or a membrane, and at least one fluidically to the expander (2) coupled thermal head, which consists of the fluidic series connection of a cooler ( 3 or 4), a pulse tube (7 or 8), a heater (9 or 10) and a regenerator (11 or 12). The regenerator (11 or 12) of the at least one thermal head is fixedly connected to the pulse tube (7 or 8). With a module of the heat engine and driven by this linear generator conventional alternators can be replaced.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage, in die eine schnell laufende Wärmekraftmaschine mit äußerer Beheizung integriert ist, wobei sich die bewegten Teile der Wärmekraftmaschine ausschließlich auf der Seite des niedrigeren Temperaturniveaus befinden. Die Lebensdauer der Wärmekraftmaschine ist dadurch mindestens so hoch, wie die übliche Lebensdauer von Kraftfahrzeugen.The The invention relates to an exhaust system in which a fast-running Heat engine with external heating is integrated, with the moving parts of the heat engine located exclusively on the side of the lower temperature level. The life of the heat engine is thereby at least as high as the usual life of motor vehicles.

Aus dem Stand der Technik sind bereits mehrere Lösungen zur Nutzung der Energie von Abgasen, die beim Betrieb von Kraftfahrzeugen entstehen, bekannt.Out The prior art is already several solutions for Use of the energy of exhaust gases in the operation of motor vehicles arise, known.

So wird in DE 40 20 854 A1 eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Turbine, die über das Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, beschrieben. Die von der Turbine erzeugte Energie wird mittels eines Getriebes und einer Flüssigkeitskupplung auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine übertragen, d. h., als zusätzliche Antriebsenergie zugeführt.So will in DE 40 20 854 A1 an internal combustion engine with a turbine that is driven via the exhaust gas of the internal combustion engine described. The energy generated by the turbine is transmitted by means of a transmission and a fluid coupling to the crankshaft of the internal combustion engine, that is, supplied as an additional drive energy.

In DE 197 01 160 A1 wird ein Verfahren zur Energiegewinnung aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors offenbart, bei dem das aus dem Verbrennungsraum des Motors geleitete Abgas über einen im Abgasführungssystem eingebundenen Erhitzerkopf eines Heißgasmotors (Stirling-Motor) geführt wird. Die thermische Energie wird vom Heißgasmotor in mechanische Energie (Drehbewegung) umgewandelt, die wahlweise dem Fahrzeugantrieb zugeführt oder mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird.In DE 197 01 160 A1 discloses a method for generating energy from the exhaust gas of an internal combustion engine, in which the exhaust gas conducted from the combustion chamber of the engine is guided via a heater head of a hot gas engine (Stirling engine) integrated in the exhaust gas guidance system. The thermal energy is converted by the hot gas engine in mechanical energy (rotary motion), which is optionally supplied to the vehicle drive or converted by a generator into electrical energy.

Auch in JP 2005306280 A wird vorgeschlagen, einen Stirling-Motor in das Abgassystem eines Fahrzeugs zu integrieren, wobei auf eine spezielle Anordnung des Stirling-Motors sowie seines Verdampfers und Verflüssigers abgezielt wird.Also in JP 2005306280 A It is proposed to integrate a Stirling engine in the exhaust system of a vehicle, with a specific arrangement of the Stirling engine and its evaporator and condenser is targeted.

Sowohl die mit Abgas betriebene Turbine als auch der Stirling-Motor sind jedoch vergleichsweise komplex aufgebaut. Ein wesentlicher Nachteil der vorstehenden Lösungen bei der Nutzung der Wärme von Kraftfahrzeugabgasen besteht auch darin, dass sie mindestens zwei bewegte Teile besitzen, zwischen denen eine Kraftübertragung erfolgt. Eines der beweglichen Teile (Kolben oder Regenerator) ist Tempera turen ausgesetzt, die nahezu der Temperatur des Abgasstromes (ungefähr 1000°C) entsprechen, während sich das andere bewegliche Teil auf der kalten Seite des Stirling-Motors befindet.Either the turbine operated with exhaust gas as well as the Stirling engine but comparatively complex. A major disadvantage the above solutions in the use of heat from Automotive exhaust also consists of having at least two have moving parts, between which a power transmission he follows. One of the moving parts (piston or regenerator) is tempera tures exposed to almost the temperature of the exhaust gas flow (approx 1000 ° C) while the other is moving Part located on the cold side of the Stirling engine.

Die Kraftübertragung zwischen den beiden beweglichen Teilen ist problematisch, da einerseits große Kräfte auf die relativ weit voneinander entfernten Teile übertragen werden müssen, wozu Übertragungselemente (z. B. Kolbenstangen) mit großem Durchmesser erforderlich sind, andererseits jedoch, um die Verlustwärmeströme gering zu halten, der Wärmestrom zwischen beiden Teilen möglichst klein gehalten werden muss.The Power transmission between the two moving parts is problematic, because on the one hand large forces transferred to the relatively distant parts must be, including transmission elements (eg. Piston rods) are required with large diameter, on the other hand, however, to the loss heat flows to keep low, the heat flow between the two parts must be kept as small as possible.

Auf der Seite mit der hohen Temperatur bereitet auch die Abdichtung und Schmierung Schwierigkeiten. Oft werden deshalb dort größere Toleranzen/Spalte zugelassen, die allerdings erhöhte Todvolumen, Shuttle- und Abströmverluste verursachen. Andererseits sind passgenaue Abdichtungen für hohe Temperaturen, wie z. B. mittels Flüssigmetallen (Blei) oder Feststoffschmierungen (z. B. Bornitrid), nur aufwendig und mit teuren Materialien herzustellen.On The high temperature side also prepares the seal and lubrication difficulties. Often, therefore, there are larger Tolerances / column allowed, but the increased dead volume, Cause shuttle and outflow losses. on the other hand are tailor-made seals for high temperatures, such as z. B. by means of liquid metals (lead) or solid lubrication (For example, boron nitride), only consuming and expensive materials to produce.

Die bewegten Teile auf der Seite mit der hohen Temperatur unterliegen außerdem einem sehr hohen Verschleiß, wodurch die Standzeiten und Lebensdauern von Stirling-Motoren stark verkürzt werden.The moving parts on the side subject to high temperature besides, a very high wear, whereby The service lives and lifetimes of Stirling engines are greatly reduced become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Abgassystem mit einer integrierten Wärmekraftmaschine mit äußerer Beheizung geschaffen werden, deren bewegte Teile sich ausschließlich auf der Seite mit dem niedrigeren Temperaturniveau befinden. Die verwendete Wärmekraftmaschine soll kompakt und schnell laufend ausgeführt sein. Zudem sollen mit ihr hohe Lebensdauern erreichbar sein.Of the Invention is based on the object, the disadvantages of the prior art to eliminate the technology. In particular, an exhaust system with an integrated heat engine with external Be created heating, whose moving parts are exclusive located on the side with the lower temperature level. The used heat engine should be compact and fast be running continuously. In addition, it should be reached with high lifetimes be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.These The object is achieved by the characterizing Characteristics of claim 1 solved. Further advantageous embodiments and uses will become apparent from claims 2 to 9th

Nach Maßgabe der Erfindung ist in die Abgasanlage für Kraftfahrzeuge eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Beheizung nach dem Pulsröhrenprinzip integriert, die aus mindestens einem Expander, der einen Zylinder und einen Kolben oder eine Membran umfasst, und mindestens einem fluidisch an den Expander angekoppelten thermischen Kopf besteht, der sich aus einer Serienschaltung eines Kühlers, einer Pulsröhre, eines Heizers und eines Regenerators zusammensetzt. Zur Integration der Wärmekraftmaschine in die Abgasanlage wird der Heizer entweder direkt in den Abgasstrom eingebracht oder mittels eines Wärmetauschers thermisch an diesen angekoppelt.To According to the invention is in the exhaust system for Motor vehicles a heat engine with external Heating integrated according to the pulse tube principle, the at least one expander, a cylinder and a piston or comprises a membrane, and at least one fluidically to the expander coupled thermal head consists of a series circuit a chiller, a pulse tube, a heater and a regenerator. For integration of the heat engine In the exhaust system, the heater is either directly into the exhaust stream introduced or thermally by means of a heat exchanger coupled to this.

Der Regenerator ist fest mit der Pulsröhre verbunden, wodurch die Wärmekraftmaschine, im Gegensatz zu Stirling-Motoren und auch allen anderen gegenwärtig eingesetzten Wärmekraftmaschinen, ohne bewegliche Teile auf der heißen Seite ausgeführt werden kann. Das einzige bewegliche Teil der Wärmekraftmaschine, nämlich der Kolben bzw. die Membran des Expanders, befindet sich im kalten Bereich. Der Betrieb der Maschine wird durch Erzeugung eines Arbeitsintegrals mittels einer Temperaturwelle ermöglicht. Die Wärmekraftmaschine ist schnell laufend und arbeitet nach dem Druckkammerprinzip (analog wie Stirling-Motoren), also nicht thermoakustisch.The regenerator is fixedly connected to the pulse tube, whereby the heat engine, in contrast to Stirling engines and all other currently used heat engines, can be performed without moving parts on the hot side. The only moving part of the Heat engine, namely the piston or the membrane of the expander, is located in the cold area. The operation of the machine is made possible by generating a working integral by means of a temperature wave. The heat engine is fast running and works on the pressure chamber principle (analogous to Stirling engines), ie not thermoacoustically.

Der Funktionsprozess der Wärmekraftmaschine besteht aus den beiden Arbeitstakten Kompression und Expansion. Bei der Kompression wird das Arbeitsfluid (typischerweise Arbeitsgas) mittels des Kolbens/der Membran aus dem Expander hinaus und über den Kühler, die Pulsröhre und den Heizer in den Regenerator geschoben. Bei der Expansion erfolgt der umgekehrte Vorgang.Of the Functional process of the heat engine consists of the both work cycles compression and expansion. In compression is the working fluid (typically working gas) by means of the piston / Membrane out of the expander and over the radiator, pushed the pulse tube and the heater into the regenerator. Expansion is the reverse process.

Mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine werden die eingangs beschriebenen Probleme, die bei der Führung, Abdichtung und Schmierung auftreten, vermieden. Außerdem treten weder der sonst übliche starke mechanische Verschleiß der bewegten Teile bei hohen Temperaturen noch die Wirkungsgradeinbußen durch Verlustwärmeströme, die von den mechanischen Kopplungselementen verursacht werden, auf. Mit der Wärmekraftmaschine können deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen, wie z. B. Stirling-Motoren, wesentlich höhere Lebensdauern erreicht Werden. Außerdem ist es möglich, die Wärmekraftmaschine sehr kompakt aufzubauen.With the heat engine according to the invention become the problems described in the introduction, Sealing and lubrication occur, avoided. Furthermore occur neither the usual strong mechanical wear of the moving parts at high temperatures nor the efficiency losses by loss of heat flows from the mechanical Coupling elements are caused on. With the heat engine Therefore, compared to conventional machines, such as B. Stirling engines, much longer lifetimes be achieved. Moreover, it is possible the Heat engine very compact build.

Der Kolben bzw. die Membran kann zudem mit vergleichsweise geringer Masse hergestellt werden; somit können ohne großen technischen Aufwand schnell laufende Wärmekraftmaschinen hergestellt werden.Of the Piston or the membrane can also with comparatively lower Mass to be produced; thus, you can do without big technical effort fast-running heat engines getting produced.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Wärmekraftmaschine ist vorgesehen, dass der Regenerator des mindestens einen thermischen Kopfes nicht, wie sonst üblich, auf einem konstanten Temperaturniveau gehalten wird, sondern im Regenerator ein Temperaturgradient eingestellt wird. Hierzu ist an der dem Heizer abgewandten Seite des Regenerators ein Kühler angebracht, wodurch ein Temperaturabbau längs des Regenerators bewirkt wird. Die Temperatur des Regenerators nimmt folglich mit zunehmender Entfernung vom Heizer stetig ab. Ein in Richtung des Regenerators längs des Erhitzers abfallendes Temperaturprofil ist nachweislich vorteilhaft für den Wirkungsgrad der eingesetzten Wärmekraftmaschine, da hier der Abgasstrom kontinuierlich ausgekühlt wird.to Increasing the efficiency of the heat engine is provided that the regenerator of the at least one thermal Head not, as usual, at a constant temperature level is held, but set a temperature gradient in the regenerator becomes. For this purpose, on the side facing away from the heater of the regenerator a cooler attached, causing a temperature reduction along of the regenerator is effected. The temperature of the regenerator decreases consequently steadily decreasing with increasing distance from the heater. One in the direction of the regenerator along the heater sloping temperature profile is demonstrably advantageous for the efficiency of the used Heat engine, since here the exhaust stream continuously is cooled.

Das Füllmaterial des Regenerators besteht aus Filz, Siebgewebe oder offenporigem Metallschaum. In Abhängigkeit vom Arbeitsfluid und der Arbeitstemperatur wird Edelstahl, Kupfer oder Aluminium verwendet.The Filler material of the regenerator consists of felt, mesh or open-pored metal foam. Depending on the working fluid and the working temperature is stainless steel, copper or aluminum used.

In einer bevorzugten Ausführung wird der Kolben (oder die Membran) des Expanders freischwingend im Zylinder gelagert und jeder der beiden durch den Kolben/die Membran gebildeten Arbeitsräume fluidisch an jeweils die Kühlerseite eines separaten thermischen Kopfs angekoppelt. Somit ist bei der Verwendung nur eines Expanders die Arbeitsleistung pro Zyklus verdoppelt. Je nach Aufbau des Expanders kann die Maschine entweder als resonante oder als nicht resonante Wärmekraftmaschine ausgeführt werden.In In a preferred embodiment, the piston (or the Membrane) of the expander mounted freely swinging in the cylinder and each the two working spaces formed by the piston / membrane fluidly to the respective cooler side of a separate thermal Heads docked. Thus, when using only one expander doubled the work per cycle. Depending on the structure of the expander The machine can be either resonant or non-resonant Heat engine are running.

Die beiden thermischen Köpfe sind identisch aufgebaut und werden im Gegentakt betrieben, d. h., wenn in einem thermischen Kopf die Kompression erfolgt, erfolgt im anderen die Expansion.The Both thermal heads are constructed identically and become operated in push-pull, d. h. when in a thermal head the Compression takes place, the expansion takes place in the other.

Eine weitere Leistungssteigerung wird mit einer Ausführungsform erreicht, bei der jeweils an der dem Heizer abgewandten Seite der Regeneratoren der beiden thermischen Köpfe ein Kühler, der vom Arbeitsfluid durchströmt werden kann, angebracht ist und beide Kühler mittels einer Drossel fluidisch verbunden sind. Da die beiden thermischen Köpfe im Gegentakt betrieben werden, wird erreicht, dass jeweils das Volumen des einen thermischen Kopfes, dem anderen thermischen Kopf als Gasbalast zur Verfügung steht.A Further performance enhancement comes with an embodiment reached, at the respectively on the side facing away from the heater of the Regenerators of the two thermal heads a cooler, which can be flowed through by the working fluid, attached is and fluidly connected both radiators by means of a throttle are. Since the two thermal heads operated in push-pull be achieved, that in each case the volume of a thermal Kopfes, the other thermal head as Gasbalast available stands.

Zur Erhöhung der Leistung unter Erhaltung der Schnellläufigkeit können mehrere solcher aus einem Expander mit zwei thermischen Köpfen aufgebaute Wärmekraftmaschinen in Form eines Mehrzylindersystems kaskadiert werden. Denkbar sind auch Systeme, bei denen zur Steigerung der Leistung mehrere thermische Köpfe an einen Expander oder mehrere Expander an einen thermischen Kopf fluidisch angekoppelt werden.to Increase in performance while maintaining speed can be several such from an expander with two thermal Heads built heat engines in shape cascade a multi-cylinder system. Also conceivable are systems where to increase the power multiple thermal heads to an expander or multiple expanders to a thermal head be coupled fluidically.

In einer bevorzugten Variante wird die in das Abgassystem integrierte Wärmekraftmaschine zum Antrieb eines elektrischen Lineargenerators verwendet. Als Generatoren können Systeme mit bewegtem Magneten, mit bewegter Spule, mit bewegter Spule und Magnetkern, piezoelektrische oder sonstige Generatoren eingesetzt werden. Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass durch ein solches Modul aus Wärmekraftmaschine und Generator die bislang in Fahrzeugen verwendeten Lichtmaschinen ohne weiteres ersetzt werden können.In A preferred variant is the integrated into the exhaust system Heat engine for driving an electric linear generator used. As generators, systems with moving magnets, with moving coil, with moving coil and magnetic core, piezoelectric or other generators are used. simulations have shown that through such a module from heat engine and generator the alternators used in vehicles so far can be easily replaced.

Möglich ist auch der Einsatz der Wärmekraftmaschine als Antrieb für einen rotatorischen elektrischen Generator, in dem z. B. ein Pleuel oder die Öse einer Kurbelschleife mittig am Kolben befestigt wird. Allerdings treten bedingt durch Kippmomente höhere Kräfte zwischen Kolben und Zylinderwand auf, sodass es erforderlich ist, die Wärmekraftmaschine mit höheren Mitteldrücken zu betreiben. Höhere Mitteldrücke sind zwar prinzipiell vorteilhaft, da bei höheren Mitteldrücken größere Arbeitsintegrale (höhere Leistungen) erreicht werden, bei zu hohen Mitteldrücken besteht jedoch die Gefahr, dass Komponenten der Wärmekraftmaschine Schaden nehmen.It is also possible to use the heat engine as a drive for a rotary electric generator in which z. B. a connecting rod or the eye of a crank loop is mounted centrally on the piston. However, occur due to tilting moments higher forces between the piston and cylinder wall, so it is necessary, the heat engine with to operate at higher mean pressures. Although higher mid-pressures are in principle advantageous, since at higher mean pressures greater work integrals (higher powers) are achieved, with too high mean pressures, however, there is a risk that damage components of the heat engine.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert; hierzu zeigen:The Invention will be described below with reference to three embodiments explained in more detail; show:

1: In der Abgasanlage verwendete Wärmekraftmaschine mit Regeneratoren auf konstantem Temperaturniveau; 1 : Heat engine used in the exhaust system with regenerators at constant temperature level;

2: In der Abgasanlage verwendete Wärmekraftmaschine mit Temperaturabbau längs der Regeneratoren; 2 : Heat engine used in the exhaust system with temperature reduction along the regenerators;

3: In der Abgasanlage verwendete Wärmekraftmaschine mit Temperaturabbau längs der Regeneratoren und fluidischer Verbindung der kalten Enden der Regeneratoren. 3 : Heat engine used in the exhaust system with temperature reduction along the regenerators and fluidic connection of the cold ends of the regenerators.

Wie aus 1 ersichtlich, besteht die in der Abgasanlage verwendete Wärmekraftmaschine mit Regeneratoren 11, 12 auf konstantem Temperaturniveau aus einem Expander 2, der einen freischwingend gelagerten Zylinder und einen Kolben umfasst, und zwei thermischen Köpfen, die sich jeweils aus der fluidischen Serienschaltung der Kühler 3, 4, der Pulsröhren 7, 8, der Heizer 9, 10 und der Regeneratoren 11, 12 zusammensetzen. Die beiden identisch aufgebauten thermischen Köpfe sind mit den Seiten, auf denen sich die Kühler 3, 4 befinden, jeweils fluidisch an einen der beiden durch den Kolben und den Zylinder des Expanders 2 gebildeten Arbeitsräume angekoppelt.How out 1 As can be seen, the heat engine used in the exhaust system with regenerators 11 . 12 at a constant temperature level from an expander 2 , comprising a cantilevered cylinder and a piston, and two thermal heads, each consisting of the fluidic series circuit of the radiator 3 . 4 , the pulse tube 7 . 8th , the heater 9 . 10 and the regenerators 11 . 12 put together. The two identically constructed thermal heads are lined with the sides on which the radiator 3 . 4 each fluidically to one of the two by the piston and the cylinder of the expander 2 connected workrooms coupled.

Der Kolben des Expanders 2 trägt das Magnetsystem des elektrodynamischen Lineargenerators 1; die Induktionsspule und der magnetische Rückschluss befinden sich im Stator des Generators 1.The piston of the expander 2 carries the magnet system of the electrodynamic linear generator 1 ; the induction coil and the magnetic yoke are located in the stator of the generator 1 ,

Die Kühler 3, 4 haben ungefähr die Umgebungstemperatur, während sich die Heizer 9, 10 ungefähr auf dem Temperaturniveau des genutzten Wärmestroms befinden. Abhängig von der Wärmequelle (Blockheizkraftwerk, zentrales Kraftwerk, Industrieanlage oder Kraftfahrzeug) beträgt der Temperaturwert des Heizers typischerweise 600 bis 2000°C. Mit Modifikationen sind mit der Wärmekraftmaschine jedoch schon Temperaturen ab 150°C nutzbar. Die Regeneratoren 11, 12 sind jeweils thermisch an die Heizer 9, 10 gekoppelt und werden mittels einer Kühlvorrichtung auf eine konstante Temperatur eingestellt, die unterhalb der Heizertemperatur, jedoch oberhalb der Kühlertemperatur liegt.The coolers 3 . 4 have about the ambient temperature while the heaters 9 . 10 are approximately at the temperature level of the heat flow used. Depending on the heat source (combined heat and power plant, central power plant, industrial plant or motor vehicle), the temperature value of the heater is typically 600 to 2000 ° C. With modifications, however, temperatures as low as 150 ° C can already be used with the heat engine. The regenerators 11 . 12 are each thermally to the heater 9 . 10 coupled and are set by means of a cooling device to a constant temperature, which is below the heater temperature, but above the radiator temperature.

Während der Kompression wird das Arbeitsfluid (Arbeitsgas) in einem der Arbeitsräume des Expanders verdichtet und jeweils über den Kühler 3, 4, die Pulsröhre 7, 8 und den Heizer 9, 10 in den Regenerator 11, 12 des fluidisch an den Arbeitsraum angekoppelten thermischen Kopfs geschoben. Das Arbeitsgas hat beim Übertritt aus der Pulsröhre 7 bzw. 8 in den Heizer 9 bzw. 10 eine Temperatur, die in der überwiegenden Zeit des Kompressionsvorgangs oberhalb der Heizertemperatur liegt, sodass über die Wand des Heizers 9 bzw. 10 nur wenig Wärme an das Arbeitsgas abgegeben wird. Im Regenerator 11 bzw. 12 wird die Übertemperatur des Arbeitsgases an dessen Füllmaterial, das aus offenporigem Schaum aus Edelstahl besteht, abgegeben. Die Kompression verläuft polytrop (im allgemeinen sub-isotherm), infolgedessen baut sich bei der Kompression nur ein geringer Druck auf.During compression, the working fluid (working gas) is compressed in one of the working spaces of the expander and in each case via the radiator 3 . 4 , the pulse tube 7 . 8th and the heater 9 . 10 in the regenerator 11 . 12 pushed the fluidically coupled to the working space thermal head. The working gas has when crossing the pulse tube 7 respectively. 8th in the heater 9 respectively. 10 a temperature that is above the heater temperature for most of the compression process, so over the wall of the heater 9 respectively. 10 only a little heat is given off to the working gas. In the regenerator 11 respectively. 12 the excess temperature of the working gas is delivered to its filling material, which consists of open-pore foam made of stainless steel. The compression is polytropic (generally sub-isothermal), as a result of which only a slight pressure builds up during compression.

Zu Beginn der Expansion nimmt das Arbeitsgas zunächst Wärme vom Regenerator 11 bzw. 12 auf. Beim Zurückströmen des Arbeitsgases vom Regenerator 11 bzw. 12 in den Heizer 9 bzw. 10 liegt die Temperatur des Arbeitsgases unter der des Heizers 9 bzw. 10. Im Heizer 9 bzw. 10 nimmt das Arbeitsgas Wärme von den Wänden des Heizers 9 bzw. 10 auf und dehnt sich dabei aus. Aufgrund der Ausdehnung des Arbeitsgases steigt, obwohl gleichzeitig der Kolben des Expanders 2 zurückläuft und damit das Gesamtvolumen des Systems vergrößert wird, zunächst der Druck des Arbeitsgases. Sobald das Arbeitsgas weitgehend erwärmt ist, dehnt es sich langsamer aus und der Druck fällt.At the beginning of expansion, the working gas first takes heat from the regenerator 11 respectively. 12 on. When the working gas flows back from the regenerator 11 respectively. 12 in the heater 9 respectively. 10 the temperature of the working gas is below that of the heater 9 respectively. 10 , In the heater 9 respectively. 10 The working gas takes heat from the walls of the heater 9 respectively. 10 and expands. Due to the expansion of the working gas increases, although at the same time the piston of the expander 2 runs back and thus the total volume of the system is increased, first the pressure of the working gas. As soon as the working gas is largely warmed up, it expands more slowly and the pressure drops.

Aufgrund der Asymmetrie der Eintrittsbedingungen des Arbeitsgases in den Heizer bzgl. der Kompression und der Expansion wird eine Asymmetrie des Arbeitsintegrals bzgl. der beiden Arbeitstakte bewirkt, d. h. von der Wärmekraftmaschine wird unter Wärmeaufnahme aus dem Heizer 9 bzw. 10 Nettoarbeit geleistet.Due to the asymmetry of the inlet conditions of the working gas in the heater with respect to the compression and expansion of an asymmetry of the working integral with respect. The two working cycles causes, ie the heat engine is under heat absorption from the heater 9 respectively. 10 Net work done.

Beim Betrieb der Wärmekraftmaschine mit Regeneratoren 11, 12 auf konstantem Temperaturniveau treten, bedingt durch den sprunghaften Übergang von der hohen Temperatur der Heizer 9, 10 auf die niedrigere Temperatur der Regeneratoren 11, 12, vergleichsweise hohe Verlustwärmeströme auf. Die Verlustwärmeströme und damit der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine können verringert werden, indem in den Regeneratoren 11, 12 ein Temperaturgradient eingestellt wird. Hierzu wird bei der für das Abgassystem verwendeten Wärmekraftmaschine jeweils an der dem Heizer 9, 10 abgewandten Seite der Regeneratoren 11, 12 der beiden thermischen Köpfe ein Regenerator-Kühler 5, 6 angebracht (2), der einen Temperaturabbau längs der Regeneratoren 11, 12 bewirkt, d. h., die Temperatur in den Regeneratoren 11, 12 nimmt mit zunehmender Entfernung vom Heizer ab. Die Kühler 5, 6 sind so ausgeführt, dass sie vom Arbeitsgas durchströmt werden können, jedoch abgeschlossene Räume bilden. Sie wirken somit als Pufferräume, die zur Verbesserung des Wärmeübergangs an den kalten Enden der Regeneratoren 11, 12 durch Vermeidung der Stagnation des Arbeitsgases beitragen.When operating the heat engine with regenerators 11 . 12 occur at a constant temperature level, due to the sudden transition from the high temperature of the heater 9 . 10 to the lower temperature of the regenerators 11 . 12 , comparatively high heat losses on. The heat losses and thus the efficiency of the heat engine can be reduced by in the regenerators 11 . 12 a temperature gradient is set. For this purpose, in the heat engine used for the exhaust system in each case at the heater 9 . 10 opposite side of the regenerators 11 . 12 the two thermal heads a regenerator cooler 5 . 6 appropriate ( 2 ), the temperature degradation along the regenerators 11 . 12 causes, ie, the temperature in the regenerators 11 . 12 decreases with increasing distance from the heater. The coolers 5 . 6 are designed so that they can be flowed through by the working gas, depending but form closed spaces. They thus act as buffer spaces, which improve the heat transfer at the cold ends of the regenerators 11 . 12 Contribute by avoiding the stagnation of the working gas.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der in der Abgasanlage verwendeten Wärmekraftmaschine kann erreicht werden, wenn die Enden der Regenerator-Kühler 5, 6 mittels einer Drosselleitung 14 verbunden sind (3). Da die beiden thermischen Köpfe im Gegentakt betrieben werden, wird so erreicht, dass jeweils das Volumen des einen thermischen Kopfs dem des anderen als Gasballast zur Verfügung steht.A further improvement in the efficiency of the heat engine used in the exhaust system can be achieved when the ends of the regenerator coolers 5 . 6 by means of a throttle line 14 are connected ( 3 ). Since the two thermal heads are operated in push-pull, it is achieved in each case that the volume of one thermal head is available to the other as a gas ballast.

11

Generatorgenerator

22

Expanderexpander

33

Kühler des ersten thermischen Kopfscooler of the first thermal head

44

Kühler des zweiten thermischen Kopfscooler of the second thermal head

55

Regenerator-Kühler des ersten thermischen KopfsRegenerator-cooler of the first thermal head

66

Regenerator-Kühler des zweiten thermischen KopfsRegenerator-cooler of the second thermal head

77

Pulsröhre des ersten thermischen Kopfspulse tube of the first thermal head

88th

Pulsröhre des zweiten thermischen Kopfspulse tube of the second thermal head

99

Heizer des ersten thermischen Kopfsstoker of the first thermal head

1010

Heizer des zweiten thermischen Kopfsstoker of the second thermal head

1111

Regenerator des ersten thermischen Kopfsregenerator of the first thermal head

1212

Regenerator des zweiten thermischen Kopfsregenerator of the second thermal head

1313

Abgaskanalexhaust duct

1414

Drosselleitungchoke line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - DE 4020854 A1 [0003] - DE 4020854 A1 [0003]
• - DE 19701160 A1 [0004] - DE 19701160 A1 [0004]
• - JP 2005306280 A [0005] JP 2005306280 A [0005]

Claims (9)

Abgasanlage für Kraftfahrzeuge mit integrierter Wärmekraftmaschine, die der Rückgewinnung von Energie aus der Wärme der Abgase dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmekraftmaschine nach dem Pulsröhrenprinzip mit mindestens einem Expander (2), der einen Zylinder und einen Kolben oder eine Membran umfasst, sowie mindestens einem fluidisch an den Expander (2) angekoppelten thermischen Kopf, der aus der fluidischen Serienschaltung eines Kühlers (3 bzw. 4), einer Pulsröhre (7 bzw. 8), eines Heizers (9 bzw. 10) und eines Regenerators (11 bzw. 12) besteht, verwendet ist, wobei der Regenerator (11 bzw. 12) des mindestens einen thermischen Kopfes fest mit der Pulsröhre (7 bzw. 8) verbunden ist.Exhaust system for motor vehicles with integrated heat engine, which serves the recovery of energy from the heat of the exhaust gases, characterized in that a heat engine according to the pulse tube principle with at least one expander ( 2 ), which comprises a cylinder and a piston or a membrane, and at least one fluidically to the expander ( 2 ) coupled thermal head, from the fluidic series connection of a cooler ( 3 respectively. 4 ), a pulse tube ( 7 respectively. 8th ), a heater ( 9 respectively. 10 ) and a regenerator ( 11 respectively. 12 ) is used, wherein the regenerator ( 11 respectively. 12 ) of the at least one thermal head fixed to the pulse tube ( 7 respectively. 8th ) connected is. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmekraftmaschine an der dem Heizer (3 bzw. 4) abgewandten Seite des Regenerators (11 bzw. 12) ein Kühler (5 bzw. 6) angebracht ist, der der Einstellung eines Temperaturgradienten im Regenerator (11 bzw. 12) dient.Exhaust system according to claim 1, characterized in that in the heat engine at the heater ( 3 respectively. 4 ) side facing away from the regenerator ( 11 respectively. 12 ) a cooler ( 5 respectively. 6 ), the setting of a temperature gradient in the regenerator ( 11 respectively. 12 ) serves. Abgasanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (11 bzw. 12) der Wärmekraftmaschine offenporigen Metallschaum einschließt.Exhaust system according to claim 1 and 2, characterized in that the regenerator ( 11 respectively. 12 ) of the heat engine includes open-cell metal foam. Abgasanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben oder die Membran des Expanders (2) der Wärmekraftmaschine freischwingend im Zylinder gelagert ist, wobei jeder der beiden durch Kolben oder Membran und Zylinder gebildeten Arbeitsräume fluidisch an einen separaten thermischen Kopf gekoppelt ist.Exhaust system according to claim 1 to 3, characterized in that the piston or the membrane of the expander ( 2 ) of the heat engine is cantilevered in the cylinder, wherein each of the two chambers formed by piston or diaphragm and cylinder is fluidically coupled to a separate thermal head. Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden thermischen Köpfe der Wärmekraftmaschine identisch aufgebaut sind.Exhaust system according to claim 4, characterized in that that the two thermal heads of the heat engine are constructed identically. Abgasanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmekraftmaschine jeweils an der dem Heizer (9, 10) abgewandten Seite der Regeneratoren (11, 12) der beiden thermischen Köpfe ein vom Fluid durch strömbarer Regenerator-Kühler (5, 6) fluidisch und thermisch angekoppelt ist und beide Kühler (5, 6) mittels einer Drossel (14) fluidisch verbunden sind.Exhaust system according to claim 5, characterized in that in the heat engine in each case at the heater ( 9 . 10 ) facing away from the regenerators ( 11 . 12 ) of the two thermal heads a fluid through the flowable regenerator cooler ( 5 . 6 ) is fluidically and thermally coupled and both coolers ( 5 . 6 ) by means of a throttle ( 14 ) are fluidly connected. Abgasanlage nach Patentanspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine mehrere Expander mit jeweils zwei fluidisch angekoppelten thermischen Kopfmodulen umfasst, wobei die Kolben oder Membranen der Expander in Form eines Mehrzylindersystems mechanisch gekoppelt sind.Exhaust system according to claim 4 to 6, characterized characterized in that the heat engine has multiple expanders each with two fluidically coupled thermal head modules wherein the pistons or membranes of the expander in the form of a Multi-cylinder system are mechanically coupled. Abgasanlage nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine der Antrieb eines elektrischen Lineargenerators ist.Exhaust system according to claim 1 to 7, characterized characterized in that the heat engine of the drive an electric linear generator. Abgasanlage nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine in Verbindung mit einem elektrischen Generator als Lichtmaschine verwendet wird.Exhaust system according to claim 1 to 8, characterized characterized in that the heat engine in conjunction is used with an electric generator as an alternator.